感測器原理及應用

本書蘊含了編者多年的教學經驗、科研成果和工程實踐，系統地介紹了感測器的基礎知識和基本特性，重點講述了各類感測器的工作原理、結構類型、信號調理電路和工程應用實例，具有很強的實用性。感測器的種類繁多，分類方法也不盡相同。本書按其工作原理進行了章節編排，各章均配有思考題和習題，以便讀者鞏固所學知識。本書文字敘述通俗易懂，條理清晰，既便於教學又利於自學。

本書可作為高等院校儀器儀錶類、自動化類、電氣信息類、機電類等專業的教學用書，也可供從事相關領域的工程技術人員學習參考。

第1章 感測器概述 1

1.1 感測器的定義與作用 1

1.1.1 感測器的定義 1

1.1.2 感測器的作用 2

1.2 感測器的組成與分類 3

1.2.1 感測器的組成 3

1.2.2 感測器的分類 4

1.3 感測器的發展趨勢 6

1.3.1 新材料、新功能的開發 6

1.3.2 新工藝、新技術的應用 7

1.3.3 多功能、智能化感測器的研製 7

思考題與習題 8

第2章 感測器的基本特性 9

2.1 感測器的靜態特性 9

2.1.1 感測器的靜態數學模型 9

2.1.2 感測器的靜態標定 11

2.1.3 感測器的靜態性能指標 11

2.2 感測器的動態特性 18

2.2.1 感測器的動態數學模型 18

2.2.2 感測器動態特性參數的測定 32

2.2.3 感測器的不失真條件 36

思考題與習題 37

第3章 電阻式感測器 40

3.1 應變式感測器 40

3.1.1 電阻應變效應 40

3.1.2 金屬電阻應變片 41

3.1.3 應變片的動態特性 45

3.1.4 應變片的溫度誤差及其補償 47

3.1.5 測量電橋 49

3.1.6 應變式感測器的應用 52

3.2 壓阻式感測器 57

3.2.1 壓阻效應 57

3.2.2 溫度誤差及其補償 58

3.2.3 壓阻式感測器的應用 58

3.3 電位器式感測器 60

3.3.1 電位器的結構類型 60

3.3.2 電位器的負載效應 60

3.3.3 電位器式感測器的應用 61

思考題與習題 62

第4章 電容式感測器 65

4.1 工作原理及結構類型 65

4.1.1 工作原理 65

4.1.2 結構類型 65

4.2 信號調理電路 70

4.2.1 運算放大器電路 71

4.2.2 電橋電路 71

4.2.3 調頻電路 72

4.2.4 雙T形電路 73

4.2.5 脈衝調寬電路 74

4.3 電容式感測器的應用 75

4.3.1 電容式壓差感測器 75

4.3.2 電容式加速度感測器 76

4.3.3 電容式應變感測器 76

4.3.4 電容式荷重感測器 76

4.3.5 電容式厚度感測器 77

4.3.6 電容式位移感測器 77

4.4 容柵式感測器 78

4.4.1 工作原理 78

4.4.2 結構類型 79

4.4.3 信號調理電路 80

4.5 電容式集成感測器 81

4.5.1 結構類型與工作原理 82

4.5.2 信號調理電路 82

4.5.3 特點與應用 83

思考題與習題 84

第5章 電感式感測器 86

5.1 自感式感測器 86

5.1.1 工作原理 86

5.1.2 結構類型 87

5.1.3 信號調理電路 90

5.1.4 自感式感測器的應用 92

5.2 差動變壓器式感測器 93

5.2.1 工作原理 93

5.2.2 信號調理電路 94

5.2.3 零點殘餘電壓 96

5.2.4 差動變壓器式感測器的應用 97

5.3 電渦流式感測器 98

5.3.1 電渦流效應 99

5.3.2 信號調理電路100

5.3.3 電渦流式感測器的應用101

5.4 感應同步器 104

5.4.1 結構類型與工作原理 104

5.4.2 信號調理電路 106

5.4.3 感應同步器的應用 107

思考題與習題 108

第6章 壓電式感測器 110

6.1 工作原理 110

6.1.1 壓電效應 110

6.1.2 壓電常數 112

6.2 壓電材料 113

6.2.1 壓電晶體 113

6.2.2 壓電陶瓷 114

6.2.3 新型壓電材料 114

6.3 等效電路與信號調理電路 115

6.3.1 等效電路 115

6.3.2 信號調理電路 116

6.4 壓電式感測器的應用 119

6.4.1 壓電式力感測器 119

6.4.2 壓電式加速度感測器 119

6.4.3 壓電式超聲波感測器 123

6.5 聲表面波(SAW)感測器 124

6.5.1 SAW感測器的結構類型與工作原理 125

6.5.2 SAW感測器的應用 126

思考題與習題 127

第7章 磁電式感測器 129

7.1 磁電感應式感測器 129

7.1.1 工作原理及結構類型 129

7.1.2 動態特性 131

7.1.3 誤差及其補償 132

7.1.4 信號調理電路 133

7.1.5 磁電感應式感測器的應用 134

7.2 霍爾式感測器 135

7.2.1 霍爾效應與霍爾元件 135

7.2.2 信號調理電路 137

7.2.3 誤差及其補償 138

7.2.4 霍爾式感測器的應用 140

7.3 磁柵式感測器 142

7.3.1 磁柵與磁頭 143

7.3.2 信號調理電路 145

7.3.3 磁柵式感測器的應用 149

7.4 磁敏感測器 149

7.4.1 磁敏電阻 149

7.4.2 磁敏二極體和磁敏三極體 151

7.4.3 磁敏感測器的應用 152

思考題與習題 154

第8章 熱電式感測器 155

8.1 熱電偶感測器 155

8.1.1 熱電效應 155

8.1.2 熱電偶的基本定律 157

8.1.3 熱電偶的冷端補償 158

8.1.4 常用熱電偶 159

8.1.5 熱電偶感測器的應用 161

8.2 熱電阻感測器 162

8.2.1 金屬熱電阻 162

8.2.2 熱敏電阻 164

8.2.3 熱電阻感測器的應用 166

8.3 PN結溫度感測器 168

8.3.1 二極體溫度感測器 168

8.3.2 晶體管溫度感測器 168

8.3.3 PN結溫度感測器的應用 169

8.4 集成溫度感測器 170

8.4.1 電壓輸出型 170

8.4.2 電流輸出型 171

8.4.3 數字輸出型 171

8.4.4 集成溫度感測器的應用 174

思考題與習題 175

第9章 光電式感測器 176

9.1 光電器件 176

9.1.1 光電管和光電倍增管 176

9.1.2 光敏電阻 179

9.1.3 光敏二極體、光敏三極體和光電池 179

9.1.4 光電器件的應用 180

9.2 光纖感測器 184

9.2.1 光纖的結構與種類 184

9.2.2 光纖的傳光原理 185

9.2.3 光纖感測器的應用 186

9.3 光柵感測器 188

9.3.1 光柵的結構與種類 188

9.3.2 光柵的工作原理 189

9.3.3 辨向原理與細分技術 190

9.3.4 光柵感測器的應用 192

9.4 電荷耦合器件(CCD) 193

9.4.1 CCD的結構與工作原理 193

9.4.2 線陣CCD 194

9.4.3 面陣CCD 195

9.4.4 CCD的應用 196

9.5 位置敏感器件(PSD) 196

9.5.1 PSD的結構與工作原理 197

9.5.2 PSD的特性 198

9.5.3 PSD的應用 199

思考題與習題 200

第10章 生物感測器 202

10.1 生物感測器的原理與分類 202

10.1.1 生物感測器的原理 202

10.1.2 生物感測器的分類 203

10.2 酶感測器 203

10.2.1 酶反應 203

10.2.2 酶電極感測器 204

10.2.3 場效應管酶感測器 206

10.2.4 光纖酶感測器 207

10.3 免疫感測器 208

10.3.1 免疫反應 208

10.3.2 電化學免疫感測器 209

10.3.3 光學免疫感測器 210

10.3.4 壓電晶體免疫感測器 211

10.4 基因感測器 211

10.4.1 基因感測器的結構與類型 211

10.4.2 電化學DNA感測器 212

10.4.3 光學DNA感測器 213

10.4.4 壓電晶體DNA感測器 214

思考題與習題 216

第11章 化學感測器 217

11.1 氣敏感測器 217

11.1.1 電阻型氣敏器件 218

11.1.2 非電阻型氣敏器件 221

11.1.3 氣敏感測器的應用 224

11.2 濕敏感測器 226

11.2.1 絕對濕度與相對濕度 226

11.2.2 氯化鋰濕敏電阻 227

11.2.3 半導體陶瓷濕敏電阻 228

11.2.4 濕敏感測器的應用 230

11.3 離子敏感測器 233

11.3.1 MOS場效應管 233

11.3.2 離子敏場效應管 234

11.3.3 離子敏感測器的應用 235

思考題與習題 236

第12章 智能感測器 237

12.1 智能感測器的組成與功能 237

12.1.1 智能感測器的組成 237

12.1.2 智能感測器的功能 238

12.2 智能感測器的硬體結構 238

12.2.1 基本感測器 239

12.2.2 模擬信號調理電路 240

12.2.3 微處理器的介面技術 242

12.3 智能感測器的軟體設計 247

12.3.1 標度變換 248

12.3.2 非線性校正 249

12.3.3 零位誤差和增益誤差校正 251

12.3.4 溫度誤差補償 251

12.3.5 數字濾波技術 252

12.4 智能感測器的應用 253

12.4.1 集成智能感測器 254

12.4.2 智能溫度感測器 254

12.4.3 智能濕度感測器 255

12.4.4 智能壓力感測器 256

12.4.5 智能差壓感測器 257

12.4.6 智能超聲波感測器 257

思考題與習題 258

第13章 機器人感測技術 259

13.1 機器人觸覺感測技術 259

13.1.1 觸覺感測器 259

13.1.2 仿生皮膚 263

13.2 機器人接近覺感測技術 264

13.2.1 接近覺感測器 264

13.2.2 接近覺感測器的應用 268

13.3 機器人視覺感測技術 269

13.3.1 視覺感測系統 269

13.3.2 圖像處理技術 271

13.3.3 視覺感測系統的應用 273

13.4 機器人嗅覺感測技術 274

13.4.1 氣敏感測器 275

13.4.2 電子鼻 275

13.5 機器人味覺感測技術 276

13.5.1 味覺感測器 277

13.5.2 味覺感測器的模式識別 278

13.6 機器人聽覺感測技術 278

13.6.1 聽覺感測器 278

13.6.2 語音識別技術 279

思考題與習題 280

第14章 感測器應用技術 281

14.1 感測器的選擇 281

14.1.1 選擇感測器時應考慮的因素 281

14.1.2 選擇感測器的一般步驟 281

14.2 供電電源 282

14.2.1 電池 282

14.2.2 穩壓電源 282

14.3 抗干擾技術 283

14.3.1 電磁干擾 283

14.3.2 屏蔽、接地、隔離、布線與滅弧技術 284

14.3.3 電源干擾抑制技術 288

思考題與習題 290

參考文獻 291

習 題